一提到“黏土”，你是否立刻想起童年時光里，用泥巴捏出泥人、灶臺、飛機坦克等各種“自制玩具”的歡樂情景？或是課本與博物館中，那些造型精美、歷史厚重的陶器與泥塑？也許是陶藝店里親手制作的小茶壺、陶杯，亦或是我們日常生活中熟悉的止瀉藥蒙脫石散？

圖1 童年時期用泥巴捏的“自制玩具”；博物館中的陶瓷展品；泥塑作品；陶藝店DIY手作茶壺

但你知道嗎？黏土這種看似普通的天然材料，其實早已悄然走入高科技領域，變身為醫學、能源、材料科學等前沿科技的“多面手”，有了很多高科技的玩法。

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古代的推測與宗教信仰

在人類文明的早期，地球的起源和年齡一直籠罩著神秘的面紗。古人通常借助神話、宗教和傳統故事來解釋這些問題。例如，中國神話中講述盤古開天辟地；印度教中提及梵天造宇宙；而古埃及傳說則講太初之水孕育出諸神。

圖：盤古開天辟地（《三五歷紀》記載：天地渾沌如雞子，盤古生其中。萬八千歲，天地開辟，陽清為天，陰濁為地。盤古在其中，一日九變，神于天，圣于地。天日高一丈，地日厚一丈，盤古日長一丈，如此萬八千歲。天數極高，地數極深，盤古極長，后乃有三皇。數起于一，立于三，成于五，盛于七，處于九，故天去地九萬里）

在西方基督教文化中，《圣經·創世記》描述了上帝用六天創造天地萬物的過程。對當時的人們來說，地球是神圣而永恒的，因此“科學”地測定其年齡顯得匪夷所思。

在這種背景下，科學與信仰的邊界顯得模糊不清。

17世紀，愛爾蘭大主教詹姆斯·烏雪（James Ussher）試圖通過圣經文本為地球“定年”。他詳細考察了《舊約》中的人物世系和年限，以新巴比倫國第三任君主以未米羅達的登基為基準（即公元前563年），再加上一些天文歷法的知識，統一了《圣經》與正史的時間線得出了一個，他自認為“精確無比”的結論-世界是在公元前4004年10月23日的夜晚被創造出來的。這一計算獲得了當時許多神學家的支持，甚至一度成為歐洲主流的地球年齡觀，在教堂和學院中被當作真實的歷史依據而普遍接受。

黏土是天然的“納米材料”！

黏土是一種顆粒極細（通常小于2微米）的天然礦物質，主要由硅酸鹽類礦物組成，如高嶺土、蒙脫石、伊利石等。它通常由巖石在長期風化作用下，經由雨水、河流、風力等自然過程慢慢形成。

黏土礦物的獨特之處在于其納米級的晶體結構。它的基本構造單元是硅氧四面體（SiO?）與金屬氧八面體（MO?），兩者以不同方式組合形成多種層狀結構。

例如：高嶺石是“1:1型結構”，即一個四面體片連一個八面體片；蒙脫石和伊利石是“2:1型結構”，兩個四面體片夾一個八面體片；更復雜的如凹凸棒石，則呈鏈狀層結構。

圖2 黏土礦物的結構單元和幾種典型黏土礦物的微觀形貌

正是這種多樣化的晶體結構，使得黏土礦物在形貌上呈現出片狀、棒狀、管狀、纖維狀等多種形式，具備豐富的結構維度與物理特性。此外，黏土礦物因其優異的物理化學性質，已經被廣泛應用于環境治理、藥物控釋、催化載體、吸附劑與納米復合材料等領域，有了很多高科技的玩法。

黏土能止血？

創傷救治中的神奇材料！

急性創傷時，失血過多是導致死亡的主要原因，快速止血在院前治療中的成功至關重要。傳統止血材料往往存在生物相容性差、止血慢、易引發炎癥等問題。于是，科學家將目光投向了具有天然止血性能的——黏土礦物。
黏土礦物就像一塊“聰明的吸水海綿”，它能迅速吸附并包裹住血液中的紅細胞和血漿成分，促進血液凝固。同時，它的表面基團還像是一個“加速開關”，能激活血小板啟動凝血機制，從而幫助身體更快地止住血。例如，高嶺石負載氧化鐵的復合材料在急性出血的止血應用中展現了良好的效果。高嶺石能夠刺激血小板, 促進凝血機制反應,而氧化鐵則有助于增加紅細胞聚集,二者協同作用能夠顯著提高止血效率。

此外，有研究開發出一種由高嶺石和高分子長鏈制成的纖維膜，這個纖維膜上不僅具備蓬松的纖維結構和親水的表面，還擁有大量可以幫助凝血的“活性點”。這種獨特的結構讓它在止血時比一般止血材料更快、更有效。

圖3 黏土礦物在止血中的應用；高嶺土復合材料在止血中的協同作用機制（a）；靜電紡絲法制備的高嶺石-聚乙烯吡咯烷酮合纖維膜止血功能（b）

黏土還能“餓死”腫瘤？

抗癌治療的納米利器！

隨著癌癥治療對精準性與副作用控制的要求提高，傳統癌癥治療手段正面臨諸多挑戰，例如藥物耐受、非特異性毒副作用以及療效不佳等問題。而黏土礦物獨特的層狀結構和良好的生物相容性，為藥物遞送系統提供了理想載體。

黏土礦物就像是“藥物快遞員”，能把抗癌藥物打包送到腫瘤“家門口”，并控制釋放時間，確保藥效集中、減少副作用。此外，它還能通過調節腫瘤微環境中的pH值和電導率，抑制癌細胞的生長與轉移，這也為癌癥治療開辟了新的策略。
例如，有研究發現，蒙脫石遇到藥物后會“鼓起來”，結構變松、帶電方式也改變了，這種變化能幫助它在血管里形成堵塞，用于切斷腫瘤供血，從而“餓死”腫瘤。不僅如此，另一項研究表明，向高嶺石中摻入碘化鉀，不僅改變了其表面電荷，還增強了顆粒的均勻聚集能力。這一簡單策略顯著提升了高嶺石的載藥能力，使其更容易富集于甲狀腺組織，從而提升治療效果。研究結果顯示，這種復合材料制成的抗癌藥物在原發甲狀腺腫瘤治療中，腫瘤抑制率超過90%。

圖4 黏土礦物在癌癥治療中的應用；吸附細胞色素c的蒙脫石對結腸癌細胞的體外細胞毒性作用（a）;高嶺石藥物遞送系統促進間變性甲狀腺癌的內吞作用和靶向治療（b）

黏土礦物

我也是妥妥的抗腫瘤小戰士！

黏土也能造電池？

新能源科技中的潛力股！

你可能很難想象，黏土也能應用在高端電池和能源儲能領域。事實上，像蒙脫石、高嶺石、埃洛石這類層狀黏土礦物，因其優異的親水性、高離子電導率、豐富的活性氧位點、多孔結構以及良好的化學穩定性，已成為新一代儲能材料的“潛力股”。它們可以被用作電池的隔膜、固態電解質、電極材料，甚至是電解質添加劑，在鋰電池尤其是鋰硫電池中展現出巨大價值。比如有一項研究，把鈷和氮加入特殊碳材料中，再結合“鋰化”黏土，做出了超能工作電極，大大提升了電池容量和使用壽命。此外，如高孔隙率和高熱穩定性使其還可用作鋰離子電池隔膜材料。看似普通的黏土，竟能在電池科技中扮演如此重要的角色，推動下一代能源技術邁向更高臺階。

圖5 Co/N-C@Li-MMT的合成示意圖及其在鋰硫電池中的應用（a）；對稱電池結構的示意圖（b）

黏土還能“動”起來？

智能響應材料新玩法！

在智能響應材料與軟體機器人領域，黏土礦物也有自己的用武之地！圖6a展示的是一種天然黏土礦物構建的智能響應材料系統，由蒙脫石（M）、蛭石（V）和葫蘆脲（CB）共同組成，形成了一個具有主-客體重構結構的雙層膜系統（MVCB）。這個材料系統就像一塊“變形泥皮”，能感受到濕度、溫度和光照的變化，并做出彎曲、收縮等動作，實現開關切換。在圖的右上部分，可以看到蒙脫石（M）和蛭石（V）通過超分子客體葫蘆脲（CB）連接形成了不對稱層狀結構。由于蒙脫石和蛭石在吸濕性、熱膨脹性以及層間水釋放速率等方面的物理特性存在顯著差異，因此當環境變化時（如濕度、溶劑濃度、溫度、光照），該系統表現出多刺激響應行為。當環境濕度或溶劑濃度升高時，材料因M側和VCB側膨脹能力不同發生定向彎曲；在溫度升高或光照增強時，由于M側和VCB側對熱的響應不同，也會導致膜條發生方向性的彎曲，實現“開/關”狀態切換。這種智能材料不僅能夠實現“開關”切換功能，還可以用于軟體夾持、仿生驅動系統，如模擬捕蠅草進行捕捉昆蟲和智能機器人部件等多種高技術領域應用，是黏土礦物材料在智能功能材料領域的一個代表性高級“玩法”。

圖6 基于蒙脫石（M）、蛭石（V） 和葫蘆脲 （CB）主客體重構構建的天然黏土礦物智能系統MVCB（a）；捕蠅草捕捉昆蟲的閉合示意圖（b）；MVCB系統仿捕蠅草抓取昆蟲的原理（c）；MVCB系統在智能機器人部件中的應用（d）

黏土，早已不是

“玩泥巴”這么簡單！

它曾是孩童手中的玩具，是陶藝師掌中的泥團，如今卻走進實驗室，化身止血劑、抗癌利器、智能材料，甚至成為新能源電池中的核心材料。黏土礦物，正一步步打破我們對它的刻板印象。作為一種擁有復雜層狀結構的天然礦物材料，它正在引領一場關于“土”的科技革命。所以下次你再看到“捏泥人”或DIY陶瓷杯時，不妨思考一個問題：你手中的那團泥，是否也有更高級的“玩法”，是否蘊藏著改變未來的力量？

參考文獻

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來源：石頭科普實驗室

編輯：千里雁啼

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